CTA 報告 107 :	
CTA 大口径望遠鏡用分割鏡の性能評価

長紀仁, 林田将明 A, 稲田知大 A, 岩村由樹 A, 奥村曉 B,C, 小野祥弥,加賀谷美佳, 片桐秀明, 加藤翔 A, 岸田柊 G, 齋藤隆之 D, 重中茜,千川道幸 E, 手嶋政廣 A,F, 中嶋大輔 A, 野田浩司 F, 花畑義隆 A,
深見哲志 A, 本橋大輔, 山本常夏 G, 吉田龍生, 他 CTA-Japan consortium
茨城大理, 東大宇宙線研 A, 名大 ISEE B, MPIK C, 京大理 D,
近畿大理工 E, Max-Planck-Inst. fuer Phys.F , 甲南大理工 G
日本物理学会第71回年次大会@東北学院大学

2016年3月22日

大口径望遠鏡 (Large-Sized Telescope : LST)
•20 GeV から 1000 GeV の低エネルギー側を観測。
• 南北に 4 台ずつ配置 (計 8 台)
→ 約 1600 枚の分割鏡が必要。
大口径望遠鏡 (LST) 仕様
Ø 口径(D) : 23 m
Ø 面積 : 368 m2
Ø 焦点距離(F) : 28m (F/D = 1.2)
Ø 主鏡面 : 放物面Ø カメラPixelサイズ : 0.1 (50 mm)
Ø Active Mirror Control system(光学アラインメント補正)
Ø 回転速度 : 180 deg/20 sec

焦点面カメラ：PMT 1855 本
主鏡：分割球面鏡 198 枚
28 m

23 m
368 m2

イラスト 池下章裕氏/提供 CTA コンソーシアム

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分割鏡の性能評価
目的 使用する一枚一枚の分割鏡の性能を評価。

1. 品質管理のための測定を実施し、性能の悪い鏡を取り除く。
2. LST のパフォーマンスを最大限引き出すための配置を最適化する。
LST 用分割球面鏡

主鏡面1.51 m

性能評価結果をパラメータとして与える。
面積 ：1.958 m2
重量 ：〜47 kgf

分 Ø 焦点距離：28 - 29.2 m
割 Ø 結像性能：< 16.6 mm (0.03°)鏡仕 Ø 反射率：> 90 % at 400 nm,> 80 % at 300 - 600 nm
様モンテカルロシミュレーション
により分割鏡配置を最適化。
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結像性能評価方法 : 2f 法
曲率半径において分割鏡の作る像の拡がりを測定、結像性能を評価。
分割鏡	

1.51	  m	

2f	  (=56-­‐58.4	  m)		  	  	  LED	  	  1f	  (=28-­‐29.2	  m)	光軸		  焦点	  	曲率中心	

直接測定	
目視	
カメラ撮影	
@三光測定	

スクリーン	-­‐	  0.5	  m	

@ICRR測定	-­‐	  0.45	  m	0	+	  0.5	  m	0	+	  0.45	  m	これまで製造元（三光精衡所）の工場内で納品前の検定方法として活用。
ü バックグラウンドの不定性が大きく、精度の高い測定ができなかった。

東京大学宇宙線研究所に新たに 2f 実験装置を製作、より詳細に評価。
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東大宇宙線研 2f 実験装置
2f 側

ミラー側

東京大学宇宙線研究所 6F の廊下に設置
Canon EOS 8000D +Canon EF-S55-250mm F4-5.6 IS STM

カメラ

スクリーン
LED
テフロン板(メジャー付) + 暗箱

現状、一日あたり5 枚から 6 枚の鏡を測定可能。
波長 470 nm 消費電力 3 W

光量安定性 1% 以内

5測定・解析
OFF

D80 : 反射光の 80 % が含まれる直径撮影画像を差し引きし、解析により D80 を求める。
r80

r100
r80×103[%]

Light Quantity

ON• カメラで ON/OFF 撮影• 測定はスポット最小位置と前後 0.45 m (0.15 m 間隔)の 7 点

2200

100

2000
1800

8016001400

D80 = 30.95 mm

1200

60

1000
40800
600
400
20000r80r100200
100 200 300 400 500 600 700 800 900
radius [pixel]

6

スポットイメージ (Linear scale)7

スポットイメージ (Log scale)8測定結果 (No.70)

D80 [mm]仕様<曲率半径>
R : 56.0 - 58.2 m<結像性能>D80(@2f) < 33.3 mm

4644
4240

Minimum38<曲率半径>
56.08 m (実測)56.01 m (Fit by Parabola)

36
3432

30.95
30.79

3055.85656.2

56.4

56.6
distance [m]<D80>
30.95 mm (実測)30.79 mm (Fit by Parabola)

No.70 は曲率半径、D80 ともに仕様を満たす。
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結像性能評価結果
分割鏡 15 枚（最終デザイン：2014 - 2015）

5hist1
Entries

15Mean56.38

RMS0.3454
Integral
15require仕様
4Spot size Spot Size (D80)# of Mirrors

Radiusof Curvature (R)Radius of curvature# of Mirrors•5require仕様

3221

156 56.5

57 57.5

58 58.5

59 59.5
R [m]

R [m]

15

Mean

35.86

RMS
Integral

6.659
154

3055 55.5

hist2
Entries010

使用しない	

203040506070
D80 [mm]

D80 [mm]Ø 曲率半径はほぼ仕様を満たしている。
Ø D80 は仕様である 33.2 mm 付近に集中。
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測定の再現性D80 [mm]No.70 について、実験装置の立ち上げから完成までの計 5 回の測定結果。
4846444240

Measurement Date
2015/06/18 23:45
2015/06/19 12:47
2015/10/15 17:00
2015/12/03 18:35
2015/12/09 22:17

38
36
3432
30
2855.455.6

55.8

5656.256.4 56.6 56.8
distance [m]D80 の最小値はおよそ 1 mm の精度で一致 (1f だと 0.5 mm)。
曲率半径も精度目標である 0.20 m (@2f) を達成。
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反射率評価目的

reflectance [%]現状

部分測定による反射率	部分測定では仕様を満たす。
1.51 m 分割鏡 1 枚全体としてもつ反射率を求める。

100
95
9085
807570測定方法

2f 法を応用して測定。

65

約 56 m

60
250

300

350

400

450

500

550
600
650
wavelength [nm]

壁
LED

①10 m
20 m
30 m

約2m

光軸②スクリーン

壁①距離による光量低下量から反射面に届く光量を推定。②結像位置での光量を測定。
② / ① で反射率を求める。

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①の測定の様子<光量推測測定>1. 光源 - 鏡の光軸上にスクリーンを配置・撮影し、カメラの 1 pixel あたりの光量を測定。
2. 光量	- スクリーンの距離を遠ざけていき、光量の低下量を求める。

距離の二乗に反比例して光量が低下することを確認。
<スクリーン側から光源を見た場合>暗幕等による遮光

床と壁に反射光が見られる。

反射光を抑えられている。

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LightQuantity [count/pixel]

反射率測定結果
r2 / ndf
p0
p1

60

3.702 / 26984 ± 29.5
0.3248 ± 0.1332

反射面積1.81 × 106 mm250

1 mm = 10.7 pixel

Fitting の結果から56.83 m 先の光量は4030

2.16 count/pixel

20

2.07 × 108 pixel①による推定値

100102030

No.70② [count]

405060distance [m]No.75

3.92 × 108 4.02 × 108

4.47 × 108 count	
No.77

No.81

No.85

4.03 × 108 3.93 × 108 3.98 × 108

今回の測定 [%]

87.7

89.9

90.2

87.9

89.0

部分測定 [%]

92.1

93.2

93.3

91.8

89.4

差 [%]

−4.4

−3.3

−3.1

−3.9−0.4

Ø 全ての鏡で 90 % 程度 (@470 nm) 部分測定との差は 5 % 以内。
Ø 測定誤差の評価を行い、BG の見積りなど測定精度を高める必要がある。
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まとめと今後•2f 法による LST 用分割球面鏡の評価を行うため装置の開発を行い評価方法を確立した。

•

結像性能、曲率半径ともに仕様を満たすかの判断が可能となりその測定精度は、結像性能では 2f において 1 mm 程度、曲率半径では 0.20 m以下を達成した。

•

2f 法を応用し鏡全体としてもつ反射率を求め、 測定した鏡全てで 90 %程度で部分測定の結果との差は 5 % 以内。現在、測定誤差を評価中。

今後は、反射率測定での測定誤差の評価を行い、精度を高めるとともに、新たに生産される分割鏡の性能評価を行い、LST 1 号基の分割鏡の配置の最適化を行いたい。

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